การวิจัยลักษณะและแนวโน้มการพัฒนาของแบตเตอรี่เรือ

แบตเตอรี่ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในชีวิตของเรา เช่น แบตเตอรี่รถจักรยานไฟฟ้า แบตเตอรี่เครื่องตัดหญ้า และแบตเตอรี่โดรน นอกจากการใช้งานกับอุปกรณ์ขนาดเล็กแล้ว ยังใช้ในอุปกรณ์ขนาดใหญ่ เช่น แบตเตอรี่เครื่องบิน แบตเตอรี่เรือ เป็นต้น ซึ่งทั้งหมดนี้ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ บทความนี้จะแนะนำรายละเอียดเกี่ยวกับคุณลักษณะและแนวโน้มการพัฒนาของแบตเตอรี่สำหรับใช้งานในทะเล

แบตเตอรี่เรือมีลักษณะอย่างไร

แบตเตอรี่สำหรับใช้งานในทะเลเป็นแหล่งพลังงานที่ขาดไม่ได้สำหรับเรือในทะเลหรือน่านน้ำภายในประเทศ ทุกอย่างตั้งแต่เรือเร็วเพื่อสันทนาการไปจนถึงเรือประมงมืออาชีพและแม้แต่เรือบรรทุกสินค้าขนาดใหญ่ต่างพึ่งพาแบตเตอรี่ชนิดพิเศษนี้ในการจ่ายพลังงานตามที่ต้องการ

แบตเตอรี่สำหรับใช้งานในทะเลมีความแตกต่างที่สำคัญหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ทั่วไป ประการแรก แบตเตอรี่สำหรับใช้งานในทะเลโดยทั่วไปมีความต้านทานการกัดกร่อนและแรงกระแทกสูงกว่า เนื่องจากต้องปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมทางทะเลที่เปลี่ยนแปลงไป ประการที่สอง โดยปกติแล้วจะมีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นและผลผลิตพลังงานที่สูงกว่า เพื่อรองรับความต้องการในการเดินทางระยะไกลและโหลดกระแสไฟฟ้าที่สูง

ในแง่ของหน้าที่และบทบาทหลัก แบตเตอรี่เรือมีหน้าที่หลักในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ต่างๆ บนเรือ เช่น ระบบนำทาง วิทยุ ไฟ และอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ในเวลาเดียวกัน แบตเตอรี่สำหรับเรือเดินทะเลยังต้องมีกระแสไฟสตาร์ทที่เพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่าเครื่องยนต์หลักของเรือสามารถสตาร์ทได้อย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะใดๆ

เมื่อซื้อแบตเตอรี่สำหรับใช้งานในทะเล มีหลายปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณา แรงดันไฟฟ้าและความจุของแบตเตอรี่ควรตรงกับความต้องการของระบบไฟฟ้าของเรือ ความทนทานยังเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญอีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเรือที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง นอกจากนี้ ความต้องการในการบำรุงรักษาแบตเตอรี่ ราคา และระยะเวลาการรับประกันเป็นปัจจัยทั้งหมดที่ควรชั่งน้ำหนักอย่างรอบคอบเมื่อตัดสินใจซื้อ

สำหรับคำแนะนำในการบำรุงรักษาและความปลอดภัยตามปกติ จำเป็นต้องตรวจสอบระดับอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่เป็นประจำและรักษาระดับที่เหมาะสม ขั้วแบตเตอรี่และการเชื่อมต่อควรรักษาให้สะอาดและแน่นหนาเพื่อป้องกันการกัดกร่อนและเพิ่มความต้านทาน ในขณะเดียวกัน การทดสอบประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เป็นประจำสามารถช่วยตรวจจับสัญญาณของการเสื่อมสภาพหรือความเสียหายของแบตเตอรี่ตั้งแต่เนิ่นๆ เพื่อหลีกเลี่ยงความเสี่ยงด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้น

แบตเตอรี่สำหรับเรือมีบทบาทสำคัญในการปฏิบัติงานของเรือ ต่างจากแบตเตอรี่ทั่วไปตรงที่เน้นไปที่ความทนทานและประสิทธิภาพมากกว่า เพื่อตอบสนองความต้องการของสภาพแวดล้อมพิเศษและการรับน้ำหนักสูง ดังนั้น เมื่อเลือกแบตเตอรี่สำหรับใช้งานในทะเล จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยหลายประการ รวมถึงข้อกำหนดเฉพาะของแบตเตอรี่ ความทนทาน และความต้องการในการบำรุงรักษา งานบำรุงรักษาตามปกติเป็นกุญแจสำคัญในการรับประกันการทำงานของแบตเตอรี่ในระยะยาวและมีเสถียรภาพ จึงมั่นใจในความปลอดภัยและประสิทธิภาพของเรือ

ตัวเลือกในอนาคตสำหรับประเภทแบตเตอรี่สำหรับใช้งานในทะเล

มีคำถามอยู่เสมอว่าควรใช้แบตเตอรี่ประเภทใด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นประเภทแบตเตอรี่ที่มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง สาเหตุหลักมาจากการเลือกใช้วัสดุขั้วลบ วัสดุขั้วลบที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับการใช้งานทางทะเลและยานยนต์คือนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ (NMC) ซึ่งให้ความปลอดภัยสูงและมีพลังงานจำเพาะที่ดีมาก อย่างไรก็ตาม NMC มีปัญหาเสถียรภาพทางความร้อนเป็นของตัวเอง และต้องพึ่งพาโคบอลต์ ซึ่งเป็นวัสดุที่หายากและมีราคาแพง นอกจากนี้ ยังมีปัญหาด้านศีลธรรมในห่วงโซ่อุปทานอีกด้วย

คาดว่าในอีก 3 ถึง 5 ปีข้างหน้า การใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตอย่างแพร่หลายจะเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญครั้งต่อไปในด้านการจัดเก็บพลังงาน ในอีก 10 ปีข้างหน้า จะมีการพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตตใหม่รุ่นที่สอง แบตเตอรี่ลิเธียมของรัฐที่สามารถให้ประสิทธิภาพใกล้เคียงกับประสิทธิภาพทางทฤษฎีมากขึ้น อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งป้องกันความเสี่ยงของการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ซึ่งทำให้แบตเตอรี่ลัดวงจรได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยการทำงานของแคโทดโลหะลิเธียม

แบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตมีพลังงานจำเพาะสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ดีที่สุดในปัจจุบันถึง 75% และผลกระทบต่อความปลอดภัยอาจยิ่งใหญ่กว่านั้น: เมื่อความเสี่ยงต่อการเกิดเพลิงไหม้และแม้กระทั่งข้อกำหนดในการทำความเย็นลดลง พลังงานจำเพาะของชุดแบตเตอรี่เรืออาจเพิ่มขึ้นเป็นสามเท่าภายใน 10 ปี โดยมีช่วงเพิ่มขึ้นที่ใกล้เคียงกัน

นอกจากนี้ อีก 10 ปีข้างหน้า เราจะได้เห็นการเติบโตอย่างต่อเนื่องของวัสดุขั้วลบ ซึ่งรวมถึงนิกเกิลและลิเธียมสูง ซึ่งทั้งสองอย่างนี้มีแรงดันไฟฟ้าและความจุสูงกว่าวัสดุขั้วลบในปัจจุบัน มีการประนีประนอมบางประการเมื่อพูดถึงความเสถียรของขั้วลบ แต่ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์ด้วยความปลอดภัยโดยธรรมชาติของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง แนวโน้มการพัฒนาวัสดุขั้วลบคือการลดหรือไม่รวมโคบอลต์ในขณะที่เพิ่มพลังงานและแรงดันไฟฟ้าจำเพาะ

ในปัจจุบัน วัสดุขั้วลบชนิดหนึ่งที่ไม่น่าจะนำมาใช้ในการเดินเรือในระยะสั้นคือลิเธียมซัลเฟอร์ แม้ว่าความหนาแน่นของพลังงานจะเป็นสองเท่าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน แต่ก็ไม่ได้ปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรของลิเธียม NMC นอกจากนี้ยังมีปัญหาวงจรชีวิตที่ไม่สามารถแก้ไขได้อย่างสมบูรณ์ แต่ได้รับการพิจารณาว่าเป็นวัสดุแบตเตอรี่ในอุดมคติสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศ เช่น โดรน (ซึ่งน้ำหนักเป็นปัจจัยสำคัญ) มากขึ้นเรื่อยๆ

โซเดียมถูกมองว่าเป็นสิ่งทดแทนลิเธียมที่มีศักยภาพเนื่องจากมีอยู่มากมายและมีลิเธียมไอออนไขว้กันมากมายในการผลิต เทคโนโลยีอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ แต่จริงๆ แล้วโซเดียมไอออนมีขนาดใหญ่กว่าและหนักกว่าและมีศักยภาพทางเคมีไฟฟ้าต่ำกว่า นอกจากการลดพลังงานจำเพาะแล้ว โซเดียมไอออนที่มีขนาดใหญ่ขึ้นยังแทรกซึม/ดึงออกจากอิเล็กโทรด ส่งผลให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่สั้นลง

ทางเลือกอื่นๆ มีแนวโน้มที่จะมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับแบตเตอรี่ตะกั่วกรด (น้อยกว่า 50Wh/กก.) รวมถึงแบตเตอรี่ไหล (มีจำหน่ายแล้วสำหรับการจัดเก็บพลังงานกริด) และแบตเตอรี่อะลูมิเนียม (ปัจจุบันได้รับการพัฒนาในห้องปฏิบัติการ) จากมุมมองในทางปฏิบัติ แบตเตอรี่เหล่านี้ส่วนใหญ่จะไม่ถูกใช้ในเรือในอนาคตก่อนปี 2050

ในอีก 15 ถึง 20 ปีข้างหน้า แบตเตอรี่ลิเธียมอากาศ (หรือแบตเตอรี่โลหะ-อากาศอื่นๆ) อาจจะมีจำหน่าย แม้ว่าพลังงานจำเพาะทางทฤษฎีของแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศคือ 3500 Wh/kg ค่าพลังงานจำเพาะสูงสุดในการใช้งานจริงคือ 950 Wh/kg แบตเตอรี่โลหะอากาศอาจประสบปัญหาเช่นเดียวกับเซลล์เชื้อเพลิง กล่าวคือ อัตราการคายประจุที่ช้า และอาจต้องได้รับการสนับสนุนจากประเภทเซลล์พลังงานที่สูงกว่าด้วย

อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ประเภทนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยในห้องปฏิบัติการ โดยมีหลักฐานเพียงเล็กน้อยที่แสดงว่าการพัฒนากำลังใกล้เข้ามา หากพลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศสูงถึงสี่เท่าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน ก็คาดว่าจะกลายเป็นผู้มีส่วนสำคัญในการจัดเก็บพลังงานการขนส่งในอนาคต

สถานะการพัฒนาเรือไฮบริด

ระบบไฮบริดของเรือหมายถึงระบบที่ติดตั้งแหล่งพลังงานตั้งแต่สองแหล่งขึ้นไปเป็นกำลังขับเคลื่อน ปัจจุบันระบบพลังงานไฮบริดของเรือส่วนใหญ่หมายถึงระบบพลังงานที่ขับเคลื่อนใบพัดผ่านเครื่องยนต์ดีเซลหลักและมอเตอร์ไฟฟ้า โดยทั่วไปแล้วมอเตอร์ไฟฟ้าจะถูกขับเคลื่อนโดยชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิง หรืออุปกรณ์กักเก็บพลังงาน และอุปกรณ์กักเก็บพลังงานจะประกอบด้วยแบตเตอรี่หรือ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

โดยทั่วไประบบพลังงานไฮบริดของเรือประกอบด้วยเครื่องยนต์ดีเซลหลัก เครื่องกำเนิดเพลา กระปุกเกียร์ ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แผงจ่ายไฟ อินเวอร์เตอร์ และระบบควบคุม ฯลฯ โครงสร้างเฉพาะและโหมดการทำงานขึ้นอยู่กับเงื่อนไขเฉพาะของ เรือจริง เรือไฮบริดยังเพิ่มระบบกักเก็บพลังงานตามพื้นฐานข้างต้น

แบตเตอรี่ประเภทใหม่กำลังเกิดขึ้น

แบตเตอรี่สำหรับเรือในปัจจุบันทั้งหมดเป็นแบตเตอรี่ลิเธียม ซึ่งคล้ายกับแบตเตอรี่ที่ใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์และพลังงาน อย่างไรก็ตาม เคมีภัณฑ์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทางทะเลชนิดใหม่ทั้งหมดกำลังเกิดขึ้น ได้แก่:

• แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต (LFP)
• แบตเตอรี่ลิเธียมไทเทเนียมออกไซด์ (LTO)

แบตเตอรี่ใหม่เหล่านี้มีข้อดีที่แตกต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับการใช้งาน รวมถึงอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า น้ำหนักเบากว่า และต้นทุนที่ลดลง ผู้ผลิตแต่ละรายมีปรัชญาการออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์สำหรับผลิตภัณฑ์ของตน และซัพพลายเออร์แบตเตอรี่รายใหม่ๆ ก็ปรากฏตัวขึ้นในตลาดอย่างต่อเนื่อง ในอนาคต ประเภทของแบตเตอรี่สำหรับเรือเดินทะเลจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และจะมีทางเลือกมากขึ้น

ความจุของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น

ในอดีต แบตเตอรี่ถูกใช้เป็นพลังงานสำรองเป็นหลักเพื่อให้พลังงานแก่โหลดทั้งหมดในกรณีที่ไฟฟ้าหลักขัดข้อง ตัวอย่างเช่น สำหรับเรือทำงานนอกชายฝั่ง อาจไม่สามารถใช้ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองได้ แต่อาจใช้แบตเตอรี่เพื่อจ่ายพลังงานที่จำเป็นสำหรับการกำหนดตำแหน่งแบบไดนามิก แบตเตอรี่รุ่นก่อนๆ มีขนาดค่อนข้างเล็ก และบางครั้งใช้สำหรับการโกนให้ถึงขีดสุดและการรองรับการเร่งความเร็ว

ปัจจุบัน แบตเตอรี่สำหรับจัดส่งที่มีความจุสูงถึง 40 MWh ทำให้เรือสามารถแล่นได้โดยไม่มีการปล่อยมลพิษ แบตเตอรี่ยังสามารถให้พลังงานแก่เรือได้ในระหว่างที่อยู่ในท่าเรือ อย่างไรก็ตาม ความจุของแบตเตอรี่ไม่ใช่ปัจจัยสำคัญเพียงอย่างเดียวที่ต้องพิจารณา การเลือกแบตเตอรี่ที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับวิธีการใช้งานและโหมดการทำงานของเรือ

การเพิ่มความจุของแบตเตอรี่ไม่ได้หมายความว่าราคาจะลดลง แม้ว่าราคาแบตเตอรี่จะลดลงอย่างต่อเนื่องก่อนปี 2020 แต่แนวโน้มดังกล่าวได้หยุดลงแล้ว เนื่องจากความต้องการแบตเตอรี่และวัตถุดิบทั่วโลกเพิ่มขึ้น ราคาจึงไม่น่าจะลดลงต่อไป

แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ให้ความยืดหยุ่นที่มากขึ้นสำหรับเรือที่ไม่มีการปล่อยมลพิษ เนื่องจากสามารถทำงานที่ใช้พลังงานมากขึ้นได้ ระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริดที่ได้รับการออกแบบตามโหมดการทำงานที่แตกต่างกันสามารถนำวิธีการปฏิบัติงานใหม่ๆ มาสู่เรือและปรับปรุงประสิทธิภาพได้

ให้ความสนใจกับการทำงานของแบตเตอรี่เรือ

เนื่องจากแบตเตอรี่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพระบบขับเคลื่อน ความจุในอุดมคติจึงขึ้นอยู่กับโหมดการทำงานเฉพาะของเรือ โหมดต่างๆ ช่วยให้ผู้ควบคุมเรือสามารถเลือกวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการใช้งานระบบขับเคลื่อนได้

ตัวอย่างเช่น เมื่อการชาร์จแบตเตอรี่โดยใช้พลังงานชายฝั่งเป็นโหมดพื้นฐาน เวลาในการชาร์จแบตเตอรี่และความสามารถในการชาร์จมีความสำคัญมากกว่าความจุของแบตเตอรี่ ในอนาคต ระบบแบตเตอรี่ที่ออกแบบตามความต้องการด้านการทำงานจะกลายเป็นเรื่องธรรมดามากขึ้นเรื่อยๆ สิ่งนี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพระบบขับเคลื่อนและสร้างแรงบันดาลใจให้เกิดนวัตกรรมมากขึ้นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการปฏิบัติงานของเรือ

การเพิ่มแบตเตอรี่ให้กับระบบขับเคลื่อนของเรือที่มีอยู่จะเพิ่มน้ำหนักของเรือ เพื่อให้ได้รับประโยชน์ที่แท้จริง ระบบขับเคลื่อนจะต้องได้รับการออกแบบใหม่โดยพิจารณาจากฟังก์ชันการทำงานของเรือ การทบทวนการออกแบบเรือใหม่อาจส่งผลให้ประหยัดต้นทุนได้มากเมื่อเทียบกับการออกแบบเดิม

เซลล์เชื้อเพลิงเปลี่ยนเป็นแบตเตอรี่ชนิดธรรมดา

เซลล์เชื้อเพลิงทำงานเหมือนกับแบตเตอรี่ทั่วไป แต่ไม่จำเป็นต้องชาร์จ ตราบใดที่ยังมีเชื้อเพลิงและออกซิไดเซอร์ ก็จะผลิตไฟฟ้าและความร้อน ทั้งแบตเตอรี่และเซลล์เชื้อเพลิงให้กระแสตรง (DC) โดยทั่วไปแล้ว แบตเตอรี่เหมาะสำหรับโหลดแบบแปรผัน ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงเหมาะสำหรับโหลดฐานที่มีความเสถียร เนื่องจากการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงโหลดน้อยกว่าอุดมคติ ด้วยเหตุนี้เมื่อใช้เซลล์เชื้อเพลิงจึงต้องมีแบตเตอรี่แบบธรรมดาอยู่เสมอ

ปัจจุบัน เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) สามารถนำไปใช้กับเรือได้ เมื่อใช้ไฮโดรเจนโดยตรงจะมีประสิทธิภาพมากกว่า 50% หากจำเป็นต้องใช้เครื่องปฏิรูปเพื่อผลิตไฮโดรเจนจากเชื้อเพลิงอื่น เช่น ก๊าซธรรมชาติเหลว PEMFC จะยังคงมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ดี แต่ต้นทุนจะสูงกว่ามาก

เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงคือเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ซึ่งสามารถใช้เมทานอลหรือแอมโมเนียเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้โดยตรง แบตเตอรี่ประเภทนี้อยู่ระหว่างการพัฒนาและยังไม่ได้ใช้กับเรือ

PEMFC เป็นทางเลือกสำหรับเจ้าของเรือที่วางแผนจะใช้ไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม การจัดเก็บไฮโดรเจนต้องใช้พื้นที่มากขึ้นและน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นจะช่วยลดความสามารถในการบรรทุกสินค้าของเรือ

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่ แบตเตอรี่เรือยังคงได้รับการอัปเดตและทำซ้ำ และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่สำหรับเดินทะเลก็จะได้รับการปรับปรุงด้วย